Токсичность отработавших газов

Отработавшие газы двигателей внутренне­го сгорания состоят в основном из угле­кислого газа и паров воды. Значительный объём занимает атмосферный азот, а при работе двигателя на обеднённой топливо-воздушной смеси присутствует избыточ­ный кислород. Объёмная концентрация токсичных веществ в отработавших газах относительно невелика (0,257 %), одна­ко в крупных городах с большим парком автомобилей двигатели внутреннего сгора­ния наряду с промышленными предприя­тиями являются основным источником за­грязнения атмосферного воздуха.

Токсичные вещества отработавших га­зов двигателей разделяют на две группы:

– продукты неполного сгорания топлива  оксид углерода СО (угарный газ), углеводо­роды различного состава и строения С_nН_m, в том числе пары несгоревшего топлива, сажа;

– оксиды азота NO_x, образующиеся при высоких температурах в процессе сгорания топлива.

Концентрация моно оксида углерода в от­работавших газах зависит главным обра­зом от состава топливовоздушной смеси. Бензиновые двигатели при больших на­грузках и на режиме холостого хода рабо­тают на богатой смеси (при коэффициенте избытка воздуха α < 1), в которой не хва­тает кислорода для полного сгорания (окисления) топлива, и объёмная концентрация СО может до­стигать 6 %. Если бензиновый двигатель работает на обедненной смеси (при α > 1) или дизельный, в котором всегда имеется избыток воздуха, то окисление происходит при избытке кислорода, и объёмная кон­центрация СО невелика (0,20,3 %).

Образование углеводородов при сгорании жидкого топлива (бензина) в двигателе с принудительным воспламенением связано с замедлением и даже полным прекращением химических реакций окисления в тонком слое топли­вовоздушной смеси у поверхности стенок камеры сгорания. Интенсивная теплоотда­ча от смеси к стенки настолько понижает скорость горения, что топливо не успевает догорать. В про­дуктах реакций появляются токсичные уг­леводороды – продукты неполного окис­ления и разложения топлива. К углеводо­родам относят также пары бензина, которые попадают в отработавшие газы в случае пропусков воспламенения топли­ва в одном или нескольких цилиндрах.

С отработавшими газами выбрасывает­ся 60 % всего объёма выделяемых автомо­билями с бензиновыми двигателями угле­водородов, картерных газов 20 %, паров бензина, вытекающих через вентиляцион­ное отверстие топливного бака и из карбю­ратора, то же 20 %. В отработавших газах дизелей в 23 раза меньше, чем бензи­новых двигателей. Для предотвращения выброса углеводородов из картера и топливного бака в атмосферу применяется принудительная вентиляция с подводом картерных газов и паров бензина во впускной трубопровод. Во время стоянки автомобиля пары бензина поглощаются фильтром с активированным углем.

Азот, химически инертный при атмос­ферных условиях, реагирует с кислородом при температуре свыше 2000 К; в резуль­тате реакций образуется в основном (до 95 % всего количества оксидов азота, содержащихся в отработавших газах). В атмосферном воздухе происходит медленное окисление монооксида азота NO в диоксид азота NO₂, токсичность которого значительно выше токсичности NO. Местная температура газов в камере сгорания дизельных двигателей достигает 2500 К, а двигателей с принудительным воспламенением 3000 К, так что выбросы оксидов азота достаточно велики у разных типов двигателей.

В отработавших газах двигателей со­держится в основном моно оксид азота NО. У двигателей с принудительным воспламе­нением объёмное содержание NО состав­ляет 99 % всего объёма оксидов азота NO_x, у дизелей – более 90 %. В атмо­сфере происходит медленное окисление ок­сида азота в диоксид NО₂, токсичность которого значительно выше. В соответст­вии с санитарными нормами токсичность СО, NO_x и СН находится в соотношении: 1: 20 : 0,67. Объёмную концентрацию СО, СН и NO_x в отработавших газах определяют газоанализаторами. Объемная концентрация оксида углерода достаточно велика и её исчисляют в про­центах. Концентрацию углеводородов СН и оксидов азота NO_x выражают для удоб­ства в миллионных долях; например, для углеводородов СН:

r_СН = · 10⁶ ,

где r_СН – объёмная концентрация СН в отработавших газах, млн.^–1;

V_СН – парциальный объём СН, м³;

V_СМ  объём отработавших газов, поступивших в газонализатор, м³.

Между процентами и миллионными долями существует соотношение: 1 % соответствует 10⁴ млн.^–1.

Отработавшие газы при большом содержании сажи выбрасываются из выпускной трубы автомобиля в виде чёрного дыма, который ограничивает видимость на дорогах. Сажу относят к токсичным веществам. Хотя она и не обладает токсическим действием, но адсорбирует и выносит из цилиндра в атмосферу бензопирен – полициклический углеводород ароматического ряда, обладающий канцерогенным действием.

Концентрацию сажи в отработавших газах определяют двумя способами: дымомером измеряют относительную оптическую плотность газа в процентах путём просвечивания, а фильтрованием газов получают массу сажи в единице объёма (г/м³).

Для оценки степени загрязнения атмосферного воздуха выбросами токсичных веществ определяют суммарно количество выбросов с отработавшими газами в конкретных условиях эксплуатации автомобиля и оценивают объём воздуха, с которым перемешиваются токсичные вещества.

Ограничения на выбросы токсичных веществ автомобильными двигателями в нашей стране введены в 1975 г. Важную роль в охране окружающей среды играет принятый в 1980 г. Закон об охране атмосферного воздуха.

Предельные концентрации токсичных веществ в атмосферном воздухе городов ограничены санитарными нормами, которые принято выражать в г/м³ (мг/м³, мг/л).

Нормы на выбросы токсичных веществ автомобильными двигателями устанавливают, учитывая санитарные нормы, суммарный объём выбросов токсичных веществ и закономерности воздухообмена на улицах городов. Последние зависят от городского ландшафта и планировки улиц, климата, направления и силы ветра. Учиты­вают также технические и экономические возможности уменьшения токсичных вы­бросов до установленных норм.

В промышленно развитых странах дей­ствуют нормы на выбросы токсичных ве­ществ: оксида углерода СО, углеводоро­дов СН и оксидов азота NO_x с отрабо­тавшими газами автомобильных двигате­лей с принудительным воспламенением.

Токсичность выбросов дизелей значи­тельно ниже (табл. 1). Для автомобилей с такими двигателями нормированы лишь выбросы сажи, а выбросы токсичных ве­ществ СО, СН и NО_х (нормированы для автомобилей, которые работа­ют на открытых рудниках, в карьерах и шахтах, где воздухообмен ограничен.

Объём выбросов токсичных веществ с отработавшими газами двигателей лег­ковых автомобилей определяют при испы­таниях на стендах с беговыми барабана­ми. Испытания проводят по ездовому цик­лу, имитирующему условия эксплуатации автомобиля в городе. В ездовом цикле регламентированы вид и продолжитель­ность каждого из режимов движения авто­мобиля. Нормы на выбросы токсичных веществ устанавливают для тех же условий испытаний. В России испытания проводят по европей­скому ездовому циклу. Объём токсичных выбросов определяют за одно испытание, состоящее из четырёх идентичных ездовых циклов общей продолжительностью 13 мин.

Нормы выброса токсичных веществ с от­работавшими газами распространяются и на бензиновые автомобильные двигатели с принудительным воспламене­нием.

Нормы зависят от массы автомобиля, например, для автомобилей массой 8501020 кг они следующие: 70 г СО; 7 г СН; 10,5 г NО_х. Установлена также норма на концентрацию оксида углерода СО в отработавших газах при работе про­гретого двигателя на режиме холостого хода.

Объём токсичных выбросов дизелями грузовых автомобилей и тракторов опре­деляют при испытаниях на моторном стен­де по циклу, в котором регламентируются нагрузка, частота вращения коленчатого вала и длительность каждого режима. Суммарную за испытательный цикл массу выбросов токсичных веществ относят к произведённой работе, вы­ражаемой произведением мощности на время каждого режима, и определяют удельные выбросы каждого токсичного вещества в граммах на 1 кВт · ч.

Таблица 11

ОБЪЁМНАЯ КОНЦЕНТРАЦИЯ ТОКСИЧНЫХ ВЕЩЕСТВ В ОТРАБОТАВШИХ ГАЗАХ

Тип двигателя	СН, млн.–1	СО, %	NОх, млн.–1	Сажа, г/м3
Двигатели с принудительным воспламенением	1003500	0,26	4004500	0,05
Дизели с неразделенными камерами сгорания	501000	0,050,3	2002000	0,1-0.3
Дизели с разделенными камерами сгорания	50300	0,030,05	2001000	0,1-0,15

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Путь топлив от нефтеперерабаты­вающих заводов до машины – потребителя сложен, связан с неоднократной их перекачкой по трубопроводам, резинотканевым рукавам, перегрузкой из ёмкости в ёмкость, перемешиванием, с опасностью потерь, обводнения и заг­рязнения. Тем не менее, техника долж­на заправляться только кондиционными топливами. Поэтому так важно знать и осущест­влять меры по предотвращению порчи нефтепродуктов на каждом этапе этого пути, при хранении на складах, при транспортировании и при заправке машин.

И даже тогда, когда топливо уже на­ходится в баках, от водителей, эксплуата­ционников требуются знания и практические навыки в использовании этих нефтепродуктов с максимальной эффективностью.

Опыт показывает, что попытки в поряд­ке самодеятельности приспособить машину к нештатному горючему или, наоборот, приме­нять горючее, «улучшенное» путём добавок в него ве­ществ, не рекомендованных заводом-изготовителем, ча­ще всего приводят не к экономии средств, а к ухудше­нию состояния машины и другим нежелательным явлениям.